能源地下結構與工程BIM 實驗室建設與教學實踐

孔綱強， 沈 揚， 豐土根， 崔春義， 姚 芬

（1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京210024；2.大連海事大學交通運輸工程學院，遼寧大連116026；3.采薇君華教育科技南通有限公司，江蘇南通226000）

0 引 言

工程建設行業是高危行業，每年發生的安全事故僅次于煤炭行業；然而，高校教育教學中存在專業性的實訓單位難找、實訓成本高、實訓實驗室條件差等問題［1］。土木工程專業又具有突出的實踐性和應用性特點，使得在教學過程中必須通過實習和實訓，才能使學生將所學知識和技能掌握。缺少必要的實訓軟件和實踐基地，將嚴重影響教學質量和學生的綜合素質培養［2-4］。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）作為工程建筑行業的一項新技術，近年來也逐漸應用到地下空間開發的可視化和交互式設計與施工中［5］。BIM技術在政府有關部門的推動下，設計與施工企業、高校、科研機構等逐漸開始應用BIM 技術并對其進行探索。精細化建筑工程信息化建設一體化實訓BIM實驗室，可以讓學生在進行實際操作之前，先熟知操作方法和工藝步驟，提高學生面向真實工程項目的信心，降低出錯率、保障學生安全［6-7］?；贐IM技術的實驗室，不受場地和時間的限制，能夠幫助學生較系統地進行學習，對于學校而言能有效降低育人成本，這是土木工程等相關專業教育發展的趨勢［8-9］。

因此，基于BIM技術的構建了工程虛擬仿真實驗室，并將其應用于新興能源地下結構與工程專業分支實踐課程教學。為滿足高等教育新工科建設中的相關培養要求，革新傳統教學方式、拓寬學生的知識面、提高土木工程等相關專業人才的綜合素質提供技術支撐。

1 建設BIM實驗室的必要性

1.1 能源地下結構與工程

“十三五”規劃中明確指出，要加強淺層地溫能、地下空間的開發利用，地下空間開發與利用更是上升到國家戰略需求層面；能源地下結構，是將地下結構（樁基、隧道等）與淺層地溫能開發與利用有機結合在一起的新型技術（見圖1）［10］；具有提供支撐荷載和淺層地溫能傳遞雙重功能［11-12］；不僅需要進行結構安全性能設計、而且需要進行能量供給與利用設計（包括熱泵設備、熱需求量等）；同時循環溫度作用導致地下結構熱應力和變形。地下結構力學特性、淺層地溫能傳熱特性分屬于土木工程和建筑暖通等兩個不同專業。因此，開展基于BIM技術的能源地下結構與工程實驗室建設與教學實踐顯得非常迫切。

圖1 能源地下結構［10］

1.2 傳統地下結構專業方向教學的不足

目前傳統的地下結構專業方向教學往往采用課堂講授和課外實踐相結合的方法；這種方法存在著諸多不足：

（1）教學過程中課時設置相對不夠完善，課堂理論知識教授學時相對偏多、課外實踐實訓時間相對不足。

（2）理論知識講授與實踐實訓時間脫節；學生因缺乏實踐經驗對教師的講授內容不易理解，興趣缺乏；因實習時間的限制或工程進展，學生無法參與整個工程建設。

（3）校內實驗室實訓功能與校外工地實訓培養互補性不夠；校內實驗室配套軟硬件設施不足，校外實訓過程只能觀察到具體某一個時段的施工過程，無法參與施工方案設計等全過程，無法達到對學生全過程、全方位的培養目標。

（4）教育教學考核形式單一，理論知識點死記硬背式的考試考核、課程設計草草了事和現場實習走馬觀花，不足以良好地考核學生的創新能力。

因此，建設能源地下結構與工程一體化實訓實驗室，以虛擬項目任務驅動教學，以BIM平臺輔助，加以能源地下結構教學演示模型，充實工程施工課程的知識要點，改進教學方法，打破以往“先教后學”的模式，激發學生的自主學習意識，實現課堂部分翻轉，并通過網絡教學平臺檢驗教學效果、收集反饋意見，不斷改進與提高。

1.3 能源地下結構與工程BIM實驗室建設目的

借助虛實結合技術、依托仿真實訓的“理虛實做”一體化模式，建立能源地下結構施工技術規劃、有限元模擬、設計理論、BIM技術及其應用，研發一種信息化、一體化能源地下結構教育系統，積極響應教育部行動方案，從國家戰略的高度、行業發展的趨勢、企業實際需求的角度出發，培養懂理論、能實踐的高素質學生，建設基于BIM平臺的虛擬仿真實驗室，最終解決能源地下結構建筑產業人才培養薄弱、專業人才培養不足的問題。為教學工作的開展提供一個良好的基礎，提高學生創新創業及設計大賽等方面競爭力，為國家的土木工程事業的發展培養輸送源源不斷的人才。

積極尋求教學內容創新和課程體系改革，不斷探索新的教學方法，以能源地下結構教學演示模型為依托，借助BIM技術與實體教學模型聯動應用，著力于研究能源地下結構施工技術規劃、有限元模擬、設計理論、BIM 技術及其應用、實踐基地建設的相關問題，著力建設基于BIM平臺的虛擬仿真實驗室。

2 能源地下結構與工程BIM實驗室建設內容

2.1 建立仿真模擬模型

以BIM技術為核心，建立BIM 模型、力學仿真分析、施工全過程模擬與成本控制的有效結合。

（1）建立有限元分析模型。在物理模型試驗中，很多地方無法達到理想狀態，如對換熱管接頭與彎度等。因而，按照物理試驗模型參數進行有限元模型的建立并對其進行數值分析是有必要的。在模擬中，建立能源地下結構的Abaqus模型和Comsol模型進行分析（見圖2）。

圖2 能量樁有限元模型圖［12］（m）

利用軟件可對能源地下結構模型進行水化熱分析、熱力學特性分析。對能源地下結構模型進行準確的分析和設計，為后期對能源地下結構模型的整體優化提供了便利。一方面用于本科生的學習，另一方面運用于科研工作。有限元模型與實體能源地下結構模型進行多方面對比學習，培養學生自主探究的能力。為大學生創新創業訓練計劃和專業技能等級大賽等提供基礎。

（2）建立可視化施工控制應用實踐框架。①以能量樁模型設計CAD 圖形為基礎，采用Revit 軟件分別建立與能量樁各構件相對應的核心構件族庫，再根據各構件的平面坐標及空間關系修改參數后拼組形成建筑樁基礎的核心BIM 模型。②確定能量樁所受到的荷載組合與初始應力，方便下一步對能量樁模型進行結構分析，荷載具體包括上部建筑荷載、溫度荷載。③基于BIM模型的坐標參數，在Abaqus中建立模型，并用未知反力荷載系數法求出在自重狀態下能量樁的應力，進行整體結構分析。④施工全過程模擬，將BIM模型導入Navisworks 軟件中，利用Timeliner 與視點命令將模型構件與時間維度相和空間視點關聯，實現施工過程的4D模擬。⑤成本控制，利用Revit軟件中的統計明細表命令確定施工的方法與施工量，對能量樁進行成本分析。

2.2 建設虛擬現實交互式仿真模擬實訓實驗平臺

（1）實驗平臺的建設。虛擬實驗室是指由虛擬現實技術生成的虛擬實驗系統，包括實驗室環境、實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等。利用虛擬現實（VR）技術，建立能源地下結構與工程虛擬實驗室，為本科生進實驗室、大學生創新創業訓練工作的開展提供良好的基礎。

虛擬實驗室的功能主要包括：①學習目標明確，能夠很好地契合教學課程體系的改革方案。②以專業知識為基礎，以工程實際為背景，結合實際工程對能源地下結構進行講解，包括設計圖紙、施工方案、工程規范、施工圖片以及施工視頻等。③對能源地下結構進行模型化，提取出其主體結構，建立虛擬實訓模塊，能夠模擬能源地下結構各部分結構的施工過程，展示工程材料和機械設備。④對能源地下結構的各主體結構進行詳盡的介紹，主要包括設計原理、受力原則、施工過程、結構形式等方面。⑤能夠與虛擬仿真技術結合，在虛擬實驗室中可以展現有限元相關知識，并且可以展現各種虛擬仿真的場景。例如，可以展現基于能量樁橋面除冰的動畫過程和虛擬仿真結果，將生活實際與虛擬仿真相結合（見圖3）。

圖3 能量樁橋面除冰融雪系統BIM模型圖

（2）虛擬實訓基地的建設。隨著科技的進步，新設備、新網絡等不斷涌現；物理實驗室往往無法隨時更新新產品、淘汰近期購置的產品，從而限制新技術的教學與傳播。BIM虛擬實驗室則不同，可以通過軟件的更新來彌補這一問題；既省錢又省事，還能讓學生及時學習到最新知識和技能。虛擬現實可以使學生在虛擬學習環境中扮演角色，有利于學生各種技能訓練?？梢苑磸筒僮骺刂圃O備，學習在生產過程中的各個環節，通過反復訓練，達到熟練掌握技術目的。

2.3 建立能源地下結構實驗模型與實踐基地

依托能源巖土國際合作聯合研究中心，建立能源地下結構實驗模型基地，供學生參觀學習、實踐操作、以及創新訓練。學習西方先進技術和理念，提升實驗模型基點品位；結合“一帶一路”項目，積極輸入智力和技術。通過校企合作，進一步挖掘實驗室模型的潛力，充分利用實驗模型，有力地支持本科教學和科研工作。

3 BIM在能源地下結構與工程中的教學實踐

BIM實驗室以計算機、互聯網＋等硬件環境為依托，繪圖軟件（AutoCAD 等）、虛擬現實系統（VR）、增強現實系統（AR）和混合現實系統（MR）等軟件運用為載體，教學師資終生培訓為保障，開設能源地下結構與工程實踐課程教學。依托能源地下結構與工程BIM實驗室，將BIM 技術引入課程教學與工程實踐，為進一步推進結合課程有效使用實訓設備打下堅實的基礎。

3.1 創建“電子工地”與“智慧工地”

BIM實驗室收集整理工程建筑行業獲得的代表性工程案例資料，根據課程教學需求進行篩選，并基于Autodesk Civil 3D軟件等進行三維地層、地下結構模型構建；從項目規劃、建筑設計、結構設計、施工組織、機電安裝、裝修裝飾等方面全過程進行模擬控制；依托高校強大的科研實力，基于Abaqus等有限元軟件，建立能源地下結構熱力耦合特性數值分析模型。

通過與企業合作，利用企業在BIM 技術方面的優勢，聯合制定虛擬仿真教學內容和教學計劃安排，契合企業對BIM人才的技能需求。

3.2 實踐教學形式與內容

基于BIM技術應用，整合土木工程和建筑暖通兩個專業中的專業知識模板，形成以BIM為主線的教學體系，以滿足能源地下結構與工程中受力、換熱兩大塊內容的設計需求。制定符合本專業學生培養的BIM實踐教學內容與形式：

（1）BIM理論知識課堂教學與實驗案例教學相結合。BIM理論知識主要包括原理、理論架構體系、專業建模技術以及應用。以案例分析為依托，開展實踐實驗教學。

（2）聯合BIM 領域國內外專家、知名企業，開展BIM短期實訓、前沿技術講座以及學術沙龍等活動。拓展師生知識面、啟發學生的思考、激勵學習和應用興趣。

（3）以賽促學，積極組織參加BIM 技術應用相關國內外賽事。通過專業性賽事，促使學生了解國內外相關研究進展，激發探索未知的好奇心，從而提升理論知識水平和實踐解決問題的創新能力。

（4）課程采用“1 ＋1 ＋1”授課、考核、實踐三者結合的教學模式，將該課程與創新型教學方案聯為一體，真正實現將課堂還給學生，把教學用于實際的現代化教學理念。授課采用“虛實結合”的方法，提高學習效率、提升教學水平、節約教學資源；考核采用傳統答卷考核與課程設計結合的方案，理論與操作雙重考核，符合軟件教學特點，利于軟件教學開展；在實踐上，將該課程與畢業設計牢牢掛鉤，達到學有所用、學有所長、學以致用的目的，讓學生帶著目的去學習，有效提升了學生學習的積極性。

3.3 完善課程教學大綱、優化師資力量

通過不斷教學探索與實踐，編制能源地下結構與工程實踐課程大綱和BIM操作指南，方便學生盡快掌握相關實際操作、提高課堂教學效率。教學大綱不僅體現標準化、模塊化，而且強調探索性和可拓展性；以適應培養不同基礎和能力的學生。從土木工程軟件應用與實踐、施工組織和能源地下結構施工技術入手，逐步在課程中融合BIM 技術。BIM 實驗室設置專職教師崗位，強化任課教師的知識更新和培訓工作。

3.4 校企合作共建校外BIM實踐教學平臺

基于對國內外BIM 領域人才培養問題的長期調研，與BIM在全生命周期中各主要方向的龍頭企業、教育先行單位、國內外專家攜手，共同打造出了集BIM專業領域知識轉移、BIM教育資源整合、BIM教學培訓支持、BIM人才職場支持和人才能力評估五大功能為一體的BIM教育院校支持平臺，平臺將BIM領域的知識、專家、課程、服務和評估五大體系科學融合，將BIM

領域的產教融合落到了實處，帶進院校。利用龍頭企業在BIM技術、軟硬件條件以及實際工程案例優勢，拓寬實踐教學資源。聯合龍頭企業成立協同創新中心或產業聯盟，服務國家戰略需求，不斷增加BIM 人才的數量，提高BIM 人才的培養質量，培養出符合企業需求的BIM專業人才，為國家基礎設施網絡的構建貢獻高技術人才。

4 特色與創新

4.1 開設交叉學科實踐課程

能源地下結構與工程，涉及溫度場、應力場和滲流場等THM多場耦合問題，是結構力學、流體力學、土力學、材料力學等多學科交叉。既是對學生多門專業基礎課程學習的檢驗，又是多學科交叉融合的實踐。該課程的開設對培養學生綜合素質、提升就業競爭力大有裨益。

4.2 依托科研平臺，提升實踐教學水平

借助學校巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室為建立能源地下結構實驗平臺提供場地等條件，進行實驗建設，完善實驗室內容，配合學校的教學科研工作，采購相應的儀器設備，來完善能源地下結構的實驗平臺。

4.3 構建新工科校企多方協同育人平臺

積極響應教育部的“產學合作、協同育人”的號召，努力探索產學研結合的新模式、深入教學內容和課程體系改革，不斷探索新的教學方法，充分發揮校企合作優勢，提高教育質量。構建新工科多企業參與的協同育人平臺。積極調研國內相關制造商，組織專家組走訪多家具有創新實踐能力與技術的意向合作企業，并就合作意向及辦學理念同選定企業進行磋商，旨在引進大型教學設備創新實踐課程體系改革。同時，本專業充分調動學生主觀能動性，完成多個由學生自主設計的本科教學創新實踐試驗活動，并結合學生實訓狀態、課程學習計劃等討論研究相關的實踐試驗教學。最終，在與企業合作的基礎上完成協同育人平臺的建設。由此實現校企協同育人的宗旨。

5 結 語

面向國家戰略需求，融合地下空間開發與淺層地溫能利用技術，能源地下結構方向未來大有可為；開設能源地下結構與工程BIM實踐課程，提升學生綜合素質迫在眉睫。在BIM 技術在工程建筑領域快速應用的前提下，行業對BIM 技術人才需求量逐年攀升，需要高校在教育教學、人才培養上適時調整，加強在BIM 技術理論知識和實踐操作能力上的投入。建立能源地下結構BIM實驗室，正逢時候；推進BIM 技術在課程體系中的實踐應用，拓寬學生的知識面、提高學生的BIM技能，為我國實現“土木工程強國”提供人才支撐。